高頻振蕩沖擊電壓發生器設計與分析

張俊平，李山，古亮，曹曉芹，吳正男

(重慶理工大學電子信息與自動化學院，重慶 400054)

高頻振蕩沖擊電壓發生器設計與分析

張俊平，李山，古亮，曹曉芹，吳正男

(重慶理工大學電子信息與自動化學院，重慶 400054)

介紹了一種簡單易行的高壓直流脈沖沖擊電壓發生器的基本原理和技術方案，通過對Marx電容回路進行充電而達到電壓倍增的目的。在設計過程中針對不同級別的放電現象進行對比試驗，并通過各種參數的計算，最終優化了發生器的結構，避免了浪涌危害。該系統設計原理簡單，成本低，可輕松制作出電壓等級為110～500 kV的高壓直流脈沖電壓，便于在科研及生活場所進行各種絕緣特性材質的放電閃絡及耐壓沖擊試驗。

浪涌;脈沖;直流;Marx;絕緣

高電壓技術在社會生活各領域的應用十分廣泛。在高電壓及絕緣監測診斷試驗的過程中會使用到局部放電閃絡的高電壓發生裝置，這種裝置不僅體型龐大，安全系數要求高，而且使用價格昂貴，受環境、地理、經費等諸多方面的影響，不便于在普通科研平臺上使用。隨著各種元器件向集約化、高性能和大輸出等方向發展，各行各業的產品都在不斷升級改造。在電子產品領域，高容量、高耐壓的聚苯乙烯薄膜高壓電容器(plasticon highvoltage capacitor)由于采用穩定的參數特性和電子微處理器控制電路的結合，使得更簡單易行的高壓直流脈沖電壓得以實現。本文結合課題試驗研究需要，設計了一種基于馬克思發生器(Marx generator)放電回路的直流脈沖升壓裝置系統。該系統主要用于分析高壓絕緣設備的沿面閃絡放電特性及憎水性試驗，也可用于多種放電現象的日常生活及教學試驗，實用價值較高［1－2］。

1 振蕩沖擊電壓發生器設計原理

本系統主要由3部分組成。其中，系統激勵采用5 V的直流開關穩壓電源，驅動升壓模塊基于Timer IC定時器的多諧振蕩器回路作為開關信號［3］，輸出高達0.03 MHz的高頻直流信號驅動BSC系列輸出變壓器(FTB)，并在輸出端產生10～30 kV的脈動高壓直流電源為Marx高壓電容回路充電，以形成不同級數脈沖倍增高壓［4］。原理如圖1所示。

圖1 高頻振蕩沖擊電壓發生器原理

2 直流穩壓電源

鑒于高壓Marx發生器的浪涌特性，選用的振蕩激勵直流電源應具有穩壓、過壓、過流等特點。具備該功能的直流穩壓電源往往價格昂貴，實際教學應用時可選用一般幾十元錢的5 V直流穩壓電源。本實驗激勵源參數為DCOUT:5 V/10 A，實驗過程中需在電源輸出端回路串聯一個自恢復式保險絲(PPTC)［5］，PPTC的動作電流至少滿足Itrip=10 A，可選用的規格型號為GR16－600。一旦Marx高壓輸出回路產生的浪涌值超過PPTC在靜止空氣下啟動保護的最小電流，PPTC動作并保護開關電源不被損壞。直流穩壓電源浪涌保護如圖2所示。

圖2 直流穩壓電源浪涌保護

3 Timer IC多諧振蕩升壓回路設計

NE555是555時基集成電路(Timer IC)［6］旗下的一種子產品，內部功能管腳和555完全相容，只是結構稍有變化，其計時精度高、穩定性好、價格便宜且內部采用差分電路形式。本系統采用NE555組成的多諧振蕩器的振蕩頻率受電源電壓和溫度變化的影響較小。

圖3為由NE555組成的多諧振蕩升壓回路。其中，R1取值為2 kΩ，R2取值為22 kΩ，C1和C2分別取值為1 nF和10 nF。為了避免Marx回路未完全釋放的電壓產生浪涌，這里把102和103的耐壓值都取2 kV。

圖3 NE555多諧振蕩升壓回路

3DD15D在多諧振蕩器電路中一般多用于行輸出變壓器(FTB)的行輸出級，用以調制高頻脈沖?？紤]到其VCEO所允許的最大工作電壓只有80 V，容易受到Marx浪涌電壓的損壞，因此最好選用3DD15D－F級別的晶體管。本系統中3DD15D集射極VCEO所允許通過的額定工作電壓為200 V，瞬態電壓抑制器(transient voltagesuppressor) 1.5KE150(C)A的擊穿電壓(max breakdown volt－age)最大值為158 V，鉗制電壓(max clamping voltage)為207 V，所以可通過TVS來有效保護晶體三極管3DD15D的正常工作，避免Marx回路浪涌電壓對電子元件的損害，有效釋放部分浪涌。表1為3DD15*系列參數。

表13 DD15*系列參數

圖3中，當左端回路通入5 V的穩壓直流源后，電容C1被充電。當充電到圖4中黃色波形的3.33 V時，晶體三極管導通，此時電容C1充電所需時間tpH為

同時，電容C1通過電阻R2和NE555內部放電管T放電。當放電到圖4中黃色波形的1.67 V時，放電結束，NE555管腳內部放電管T截止，此時電容C1放電時間tpL為

由以上結果可看出:電容充放電時間均非常短，3DD15D開閉時間同步于電容充放電時間，故在回路形成高頻脈沖信號。在V1端接上負載行輸出變壓器(FTB)，可激勵FTB產生高頻脈動直流。

圖3輸出振蕩頻率f為

值得注意的是:圖5顯示波形輸出有振蕩，主要是由于在NE555多諧振蕩回路V1端接入負載行輸出變壓器(FTB)的一次繞組的緣故。由于一次繞組在高達0.03 MHz的高頻直流信號激勵下，在繞組端產生很強的感應電勢;晶體三極管3DD15D的開關有延時，感應磁通未能及時消散，故在回路端形成逐漸削弱的振蕩信號，該信號并不影響負載輸出端的電壓幅值。NE555多諧振蕩回路在晶體三極管3DD15D兩端加入了瞬態電壓抑制器(TVS)作為保護，更增強了升壓驅動系統模塊的穩定性［7－10］。

圖4 未接入負載下的NE555多諧振蕩升壓回路輸出波形

圖5 接入負載下的NE555多諧振蕩

4 Marx回路設計

4.1 馬克思發生器工作原理

在高脈沖功率的裝置系統中，往往用到2種方式的儲能形式:一是多臺電容器的并聯儲能系統;二是馬克思發生器(Marx generator)的儲能系統。實際中為了獲得較高等級的脈沖電壓，較常用的是馬克思發生器儲能系統，其工作原理可以簡單地概括為:電容器并聯充電，串聯放電。通過第一個點火開關(圖6(a)中空心箭頭)，將所有電容串聯起來，建立幅值為nV0并在負載上產生一定脈沖寬度的高壓脈沖。圖6為本系統馬克思發生器的基本電路［1］。

圖6 馬克思發生器基本電路

4.2 馬克思發生器主要元件及相關參數計算

4.2.1 高壓電容

由于馬克思發生器要求對傳輸線的充電時間少，故馬克思發生器回路必須為低電感，大容量高壓電容。常用的聚苯乙烯薄膜高壓電容器(plasticon high－voltage capacitor)有CB80和CB81兩種形式。前者是引線軸向輸出，價格經濟實惠，容量滿足一般科研場所需要;后者是螺栓式輸出，價格為前者的5～10倍，容量偏大。本系統選用電容為CB80/30 kV/3 900 PF，容量允許偏差為J型(±5%)的引出式高壓電容器，常見20～30 kV可以用來做Marx發生器的引出式高壓電容器參數見表2。

常規Marx發生器回路往往可根據需要做3～40級?？紤]到回路電感以及高壓薄膜電容器的自身電感，一般做到10級已經足夠。本系統做到了19級，測試效果如圖7所示。

表2 CB80軸向式聚苯乙烯薄膜高壓電容器

圖719 級Marx發生器脈沖放電測試效果

4.2.2 Marx回路相關參數計算

為了讓19級馬克思發生器的聚苯乙烯薄膜高壓電容器能在短時間內完成全部充放電，限流電阻R取值為50 MΩ，其余馬克思發生器回路的充電電阻取值為1.5 MΩ。限流電阻取值較大主要是為了防止Marx級數過高導致整體充電電感過大，造成電容器不能完全充滿電、點火開關不能全部動作、擊穿電壓偏低，同時也可以吸收馬克思發生器回路產生的泄露浪涌的能量，減少對前面升壓驅動回路的沖擊［1－2，11］。本系統中馬克思發生器相關時間及電壓幅值參數如下:

1)馬克思發生器的充電時間常數為τc:

式中:L為點火間隙等效電感，C為充電電容?？梢姵潆姇r間常數τc的快慢往往取決于對聚苯乙烯薄膜高壓電容器容量的選取以及點火開關間隙距離。

2)馬克思發生器的放電時間常數為τd:

式中RL為充電電阻。

本系統中的馬克思發生器放電回路直接對地放電，如果要接負載并將大部分能量輸出至負載，則負載阻抗下的時間常數必須遠遠小于τc。同時，在馬克思發生器工作時要盡量避免限流電阻上的能量損失，其會降低馬克思發生器的發生效率，故對R的取值一般應控制在10～50 MΩ。馬克思發生器的放電電壓為ΔU:

式中:Cg為點火間隙開關處的耦合電容;Cs為各極板電容與接地極之間的耦合電容。實際運用時往往忽略Cg/Cs，這是因為其值很小，幾乎不影響馬克思發生器的電壓，若確實需要避免該比值的影響，可在聚苯乙烯薄膜高壓電容器外殼附件放置一塊接地的導電金屬［12－13］。

忽略電路雜散電容的存在，本系統的脈沖直流電壓U≈19×20=380(kV)。

5 結束語

脈沖功率技術常應用于大功率、大容量、對介電常數有較高要求的高壓發生裝置中。本文通過理論與實踐，在滿足裝置電氣性能要求的基礎上極大簡化了高頻振蕩沖擊電壓發生器的系統結構，系統設計原理簡單、造價成本低、攜帶便捷，可根據需要隨時應用于直流高壓絕緣耐壓檢測試驗。

在本系統的普通應用研究領域，推薦電容陣列數控制在10級，以免回路雜散電容、電感影響造成點火開關不能完全工作，致使擊穿電壓過低。同時，為了有效避免試驗回路的浪涌危害，可在直流穩壓電源輸出端串接PPTC，在行輸出變壓器(FTB)出線端接入量值為MΩ級的高壓玻璃釉電阻和大功率二極管。

［1］韓旻，鄒曉兵，張貴新.脈沖功率技術基礎［M］.北京:清華大學出版社，2010.

［2］Bluhm H，江偉華，張弛.脈沖功率系統的原理與應用［M］.北京:清華大學出版社，2008.

［3］賈宇向，賈韞博.555時基電路在定時電路中的應用［J］.科技傳播，2009(5):86－88.

［4］Tieliu Wang，Silei Shen，Junjie Wang.Research on WSNs Topology and Application of Lightning Monitoring in Distribution Lines［J］.ICEEAC 2010，2010(8):565－568.

［5］姚剛.PPTC保護元件提高LED的性能和壽命［J］.電子設計技術，2010(5):22.

［6］周志敏，周紀海，紀愛華.電工電子實用電路［M］.北京:電子工業出版社，2005.

［7］康華光，鄒壽彬，秦臻.電子技術基礎:數字部分［M］.北京:高等教育出版社，2005.

［8］羅廣孝，崔翔，張衛東，等.TVS靜電抑制器等效電路參數估算及應用［J］.中國電機工程學報，2013，33 (16):204－211.

［9］李博，李洋，王俊飛.通信設備用浪涌保護器中放電管與TVS管最佳組合的探討［J］.鐵道技術監督，2012，40(12):47－50.

［10］柏樹林，許波.TVS及其在設計電路中的應用［J］.新特器件應用，2009(4):27－29.

［11］Bluhm H.Pulsed Power Systems［M］.Berlin:Springer，2006.

［12］蔡新景，常樹生，孫悅，等.500 kV緊湊型沖擊高電壓發生器的設計［J］.東北電力大學學報，2013，33(1/2):62－64.

［13］王新新，張卓，肖如泉.重復頻率Marx發生器的充電回路［J］.高電壓技術，1997，23(1):37－39.

(責任編輯 楊黎麗)

Design and Analysis of Impulse Voltage Generator of High Frequency

ZHANG Jun－ping，LI Shan，GU Liang，CAO Xiao－qin，WU Zheng－nan
(School of Electronic Information and Automation，
Chongqing University of Technology，Chongqing 400054，China)

This paper describes a simple high voltage direct current fundamentals and technology of pulsed impulse voltage generator scheme to meet Marx reached voltage charge circuit capacitance multiplier.In this paper，experimental design in the course of comparative experiment of discharge phenomena at different levels，as well as various parameters calculation，ultimately optimizes structure of this generator，and surge damage.The system is designed to be simple，cost－efficient，and you can easily produce voltages high voltage DC pulse voltage 110～500 kV，facilitating research and living areas，a variety of insulation flashover characteristic material discharge and voltage withstand impact tests.

surge;impulse;direct current;Marx;insulation

TM502

A

1674－8425(2014)03－0087－05

10.3969/j.issn.1674－8425(z).2014.03.016

2014－01－09

國家自然科學基金青年科學基金資助項目(51107155)

張俊平(1986—)，男，碩士研究生，主要從事現代電力電子技術及應用、輸配電技術研究。

張俊平，李山，古亮，等.高頻振蕩沖擊電壓發生器設計與分析［J］.重慶理工大學學報:自然科學版，2014 (3):87－91.

format:ZHANG Jun－ping，LI Shan，GU Liang，et al.Design and Analysis of Impulse Voltage Generator of High Frequency［J］.Journal of Chongqing University of Technology:Natural Science，2014(3):87－91.